어두운 물질 다크 매터 암흑 에너지

2001년 6월 25일 ~ 29일

국제 심포지엄

물질은 어디에 있는가?

2001년 6월 25일부터 29일까지 마르세유에서 국제 심포지엄이 개최되었으며, 참가자 200명 가운데 140명이 발표를 진행했다. 주제는 "물질은 어디에 있는가?"였고, 부제는 다음과 같았다.

새로운 대규모 조사 수단을 통한 밝은 물질과 어두운 물질 탐색

번역:

새로운 대규모 관측 수단을 활용한 가시광선 물질과 어두운 물질의 지도 제작.

이 말들은 매우 중요한 의미를 갖는다. 이는 심포지엄이 이미 어떤 이론적 틀 안에 위치함을 시사한다. 즉, 우주는 하나이며, 두 가지 구성 요소를 가진다는 전제가 있다. 하나는 우리가 관측 수단으로 접근 가능한 것(가시광선, 자외선, 적외선 등 전자기파 기반의 관측 범위 내)이고, 다른 하나는 현재까지는 이러한 관측 방식으로 탐지되지 못한 채, 일반적으로 '어두운 물질'이라 불리는 존재이다(영어로는 Dark Matter). 어떻게 이러한 어두운 물질을 관측하고 지도화할 수 있을까? 일반적으로 관측된 은하나 은하단의 가시물질만으로 설명되지 않는, 지나치게 큰 중력 렌즈 효과를 기반으로 하며, 동시에 관측된 천체들의 운동학적 파라미터를 기반으로 한다.

중력 렌즈 효과가 '비정상적으로 크다'는 사실을 밝혀내기 전부터 프리츠 짜이키는 은하의 회전곡선 분석이나 은하단 내 은하들의 운동 속도 측정을 통해, 가시적으로 탐지된 물질만으로는 이러한 구조체를 안정적으로 유지할 수 없다는 결론을 도출했다. 여기서 '회전곡선'이란, 일반적인 중력장 내에서 궤도를 도는 은하간 가스에 대해 도플러-피조 효과를 이용해 측정한 속도를 의미한다. 이 가스는 분명히 너무 빨리 회전하고 있었으며, 특히 가장자리 부분에서는 특징적인 '평탄한 구간'이 나타났다. 은하단은 은하들이 '분자'인 듯한 '가스 덩어리'로 간주된다. 천문학자들이 '은하의 고유 속도'라 부르는 이들 속도는, 기체 분자의 열운동 속도와 유사하며, 모든 방향으로 무작위로 분포한다. 이 기체에 대한 유사성을 유지하면서, 열운동 속도와 밀도의 조합은 단위 부피당 운동에너지 밀도를 측정하는 '압력'을 의미한다. 은하간 가스 구름은 중력이 분산을 방지하는 압력과 균형을 이루기 때문에 흩어지지 않는다. 만약 천문학자들이 수천 개의 은하로 이루어진 은하단을 일종의 기체 덩어리로 간주한다면, 은하들의 운동 속도와 탐지된 질량을 기반으로 계산한 압력은 중력에 의해 균형을 이룰 수 없을 정도로 크다. 반대로 생각하면, 은하단의 질량을 알고 있다면 탈출 속도를 계산할 수 있다. 짜이키가 지적했듯이, 은하단 내 은하들의 개별 속도는 그들이 속한 은하단의 탈출 속도를 초과한다. 만약 추가적인 힘이 작용하지 않는다면, 이 은하들은 오래전에 은하단을 떠났어야 했다. 은하 내 별들 역시 마찬가지다. 따라서 문제는 매우 현실적인 것이며, 핵심은 이 현상에 대한 해석이다.

현재 천문학자들의 일치된 답변은 '어두운 물질'이라는 이름을 갖고 있다. 그러나 누구도 이 '어두운 물질'의 본질이 무엇인지 밝혀내지 못했다. 그러나 누구도, 관측된 효과가 현재 관측되지 않은 양성 질량을 가진 구성 요소의 존재 외에는 다른 원인에서 비롯될 수 없다는 사실을 의심한 적이 없었다. 이러한 맥락에서 '보이지 않는 것의 지도 제작' 작업은 이미 시작되었다. 초기에는 단지 "어떤 은하단 내에는, 그 은하단이 붕괴하지 않거나, 또는 그로 인해 발생하는 강한 중력 렌즈 효과(다중 이미지, 배경에 있는 은하의 왜곡, 심지어 아치 형태로 늘어지는 현상)를 설명하기 위해 특정 질량 M이 존재해야 한다"고만 말했다. 이후 천문학자들은 알버트 보스마와 같이 마르세유 천문학 연구소에 소속된 연구자들이 경험적 방법으로 회전곡선을 맞추기 위해, 성질이 명확히 밝혀지지 않은 어두운 물질의 '하모'를 추가했다. 이는 영어로 'fitting the rotation curves'라고 불리며, 관측 결과에서 얻은 속도 값에 맞추기 위한 경험적 방법을 의미한다. 따라서 현재 많은 사람들이 이러한 보이지 않는 어두운 물질의 하모 내에서 물질 분포를 계산하는 데 전념하고 있다. 이를 '제로차 이론'이라 부른다. 이 활동은 특별한 전문 지식을 요구하지 않으며, 순전히 기술적인 작업이다. 이 일을 하는 사람들은 자신들이 경험적으로 지도화하는 어두운 물질의 본질에 대한 단서를 제공하려는 시도조차 하지 않으며, 더욱이 그 물질이 은하 내에 존재하게 된 과정에 대해 설명하려는 시도는 전혀 없다. 이 구성 요소의 본질과 기원을 알지 못하는 상황에서, '은하역학'을 구축하는 것은 말할 것도 없다. 이 심포지엄에서 나는 미국 출신의 연구자가 '냉각된 어두운 물질(Cold Dark Matter, CDM)을 기반으로 한 은하 형성 모델'에 대해 보고한 것을 들었다. 이러한 모든 모델은 명백히 뉴턴 법칙에 의존하며, 그 위에 거대한 컴퓨터가 계산을 수행한다. 그러나 이 모델들은 여전히 설득력이 부족하다. 초기 조건을 어떻게 설정하든, 형성된 '원시 은하'의 각운동량은 너무 작다. 따라서 이러한 '신규 이론가들'(뉴턴 법칙 + 거대한 컴퓨터)이 제기한 질문 중 하나는 "은하의 운동량은 어디서 오는가?"였다. 이는 지도화나 시뮬레이션 시도 모두에서 '제로차 이론' 수준에 머무르고 있음을 보여준다.

1999년 이후, 얀니크 멜리에르와 포르트를 비롯해 세계 여러 지역의 약 6개 연구팀이 6년간의 작업 결과를 발표했다. 만약 우주, 특히 은하단 내에 어두운 물질이 존재한다면, 중력 렌즈 효과를 유발할 것이다. 극단적인 경우, 허블 우주 망원경이 보여준 것처럼, 배경에 있는 천체들이 거의 칼레idos코프와 같은 이미지로 분열되며, 여러 개의 다중 이미지나 중력 렌즈로 인한 아치 형태의 왜곡을 만들어낸다.

이제는 어두운 물질의 집합이 상대적으로 적을 경우, 은하 이미지에 단순한 왜곡을 유발하며, 이는 단순한 광학 효과로 인해 이미지의 타원도가 추가로 증가한다. 멜리에르, 포르트 및 그 뒤를 따르는 연구자들은 컴퓨터가 은하 이미지의 국부적 비균질성을 감지하는 방법을 개발했다. 이는 중력 렌즈 효과가 없을 경우 은하 이미지의 장축이 무작위로 분포되어야 한다는 가정에서 출발한다. 그 후, 이 방법은 이러한 이미지를 생성할 수 있는 가상의 어두운 물질 분포(3차원)를 재구성할 수 있게 해준다. 1999년 멜리에르와 포르트는 마치 우주 일부를 색으로 표현한 3차원 지도를 발표하며 큰 주목을 받았다. 이 지도는 하늘의 몇 도 정도의 영역을 대표한다.

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이 이미지는 '월드' 신문에 게재되었고, 기사 작성자인 지안프랑수아 아제로는 "어두운 물질이 존재한다. 왜냐하면 빛의 경로를 휘게 하기 때문이다."라는 제목을 붙였다.

이 기사 링크

당시 이 모든 것은 매우 인상적이었으며, '보이지 않는 것의 지도 제작'의 시작을 알리는 듯했다. 그러나 1년 후, 포르트(파리 천문학 연구소 소속이며 멜리에르와 동료)는 2000년 6월호 '하늘과 공간' 잡지에 인터뷰를 통해 이전까지 묵살되었던 몇 가지 문제를 언급했다. 이 방법은 두 개의 특히 중요한 어두운 물질 집합체를 발견하게 했다(5×10¹⁴태양 질량, 약 1,000개의 은하에 해당하며, 가장 큰 알려진 은하단인 여신 은하단이나 코마 은하단과 유사한 질량). 그러나 놀라운 점은 이 하늘의 지역들이 매우 공허해 보였다는 것이다.

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이러한 결과는 분명히 문제가 되었으며, 초기에는 두 연구자가 이를 무시하고, 아티팩트일 가능성이나 특수한 주파수에서 방출하는 새로운 유형의 은하단일 것이라 기대했다. 이후 자외선 및 적외선 범위에서 추가 관측이 이루어졌지만, 특별한 결과는 없었다. 결국 포르트와 멜리에르는 이 물체들을 '암흑 은하단(Dark Clusters)'이라 명명하며, 이들이 '완전히 외계 물질로 구성된 은하단'일 수 있음을 시사했다. 이는 중력 불안정성의 영향을 받지만, 오직 같은 유형의 물질만을 끌어당길 수 있는 매우 특이한 물질이다. 2000년 인터뷰에서 포르트는 이런 위치에 퍼텐셜 웰이 존재하면서도 일부 은하나 가스, 또는 전자기파를 방출하는 어떤 물체도 끌어당기지 않았다는 점이 믿기 어렵다고 말했다. 아래는 포르트의 인터뷰 발췌본이다.

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2001년 6월 심포지엄에 참석하여 발표를 진행한 나는 멜리에르의 발표를 듣는 데 매우 관심이 있었다. 그는 자신의 데이터 처리 방법의 타당성에 대해 완전히 확신을 갖고 있다고 밝혔다. 이때 그는 1999년 '월드' 신문에 전면광고로 실린 3차원 지도를 다시 화면에 띄우며, 두 개의 '암흑 은하단'을 확인하고, 이후 세 번째 유사한 대량 물체를 추가로 발견했다고 말했다. 이에 대해 질문하자, 그는 공개적으로 다음과 같이 답했다.

개인적으로 나는 이 암흑 은하단을 믿지 않는다...

더 이상 정보를 얻을 수 없었으며, 이 답변은 나에게 매우 당황스러웠다. 두 가지 가능성 중 하나다. 첫째, 그 방법에는 분석에서 놓친 불확실성이나 오류가 존재하며, 이러한 '매우 혼란스러운 물체'를 생성할 수 있는 아티팩트를 유발할 수 있다. 둘째, 그 방법이 신뢰할 수 있고, 이 세 개의 물체의 존재는 매우 당혹스러운 질문을 제기하는데, 그에 대한 답은 이와 같은 회피적 태도로는 불가능하다. 또한, X선 망원경이 궤도에 올라간 이후, 은하단이 매우 중요한 X선 방출원이라는 것이 밝혀졌다. 이 방사선을 고온 수소의 방출로 해석하면, 그 온도는 약 1억 도이며, 이는 열운동 속도가 1,400km/s에 해당한다.

멜리에르는 말했다. "내 암흑 은하단은 X선도 방출하지 않는다."

이러한 행동을 설명하는 것은 단순히 심포지엄의 부제를 다시 읽어보면 충분하다. 이 부제는 어두운 물질 외에 다른 해석을 허용하지 않는다. 이러한 태도는 현대 천문학과 천체물리학 세계에서 예외가 아니다. 예를 들어, 유명한 허블 법칙은 원래 소스의 적색편이가 거리에 비례한다는 것이며, 이제는 거의 신조처럼 여겨진다. 모든 천체는 이 법칙을 따라야 하며, 예외적인 경우는 '제외'된다. 할턴 아르프는 실제로 많은 '비정상적 적색편이'를 식별했다고 주장했지만, 명백히 그가 이 법칙을 따르지 않으려는 태도를 보였기 때문에 동료들로부터 관측 금지 조치를 받았고, 뉴욕으로 강제 이전되었다. 만약 이 주제에 대한 심포지엄이 열린다면, 그 주제는 반드시 '허블 상수의 정밀한 정의'를 위한 '조사(surveys)'일 수밖에 없다. 적색편이의 비균질성, 특정 천체 집단에 대한 법칙의 유의미한 변화, 또는 특정 방향에서의 거의 주기적인 변동을 다룬 연구는 불안정한 위협으로 간주되거나, 단순히 '관심 밖'의 작업으로 여겨질 것이다.

이 심포지엄에 발표를 제출하기로 결정했을 때, 나와 마르세유 천문대에서 공동 연구를 수행하는 국가연구센터(CNRS) 소속 동료인 에반젤리나 아타나소울라가 이 소식을 듣고 회의적인 반응을 보였다. 그녀는 내 연구가 '관심 밖'이라고 생각했다. 실제로 이는 한 가지 시각일 수 있지만, 나는 이를 매우 비과학적이라 여긴다(멜리에르 자신의 연구에 대해 말한 것과 마찬가지!). 따라서 내가 발표하게 된 연구가 큰 관심이나 비판을 받지 못한 것은 놀라운 일이 아니다. 단지 '관심 밖'이었을 뿐이다. 2001년 6월 26일, 나는 발표 자료의 장문본(43쪽) 40부와 요약본(16쪽) 30부를 준비하고, 심포지엄이 열리는 강의실로 가서 세션 시작 전에 테이블 위에 이 70개의 문서를 놓았다. 표지에는 붉은 연필로 '내게 가져가, 읽어봐'라고 적었다. 모든 문서는 참가자들의 가방 속으로 사라졌다. 바닥이나 쓰레기통에 남은 것이 전혀 없었다. 이 새로운 시도에도 불구하고, 200명의 참가자 중 아무도 나에게 연락하지 않았다. 이후 며칠 동안, 세션 중 내 발언은 완전히 무시당했다. 한 가지 사례를 소개하자면, 발표자가 중력 렌즈 효과의 일반적 문제에 대한 조사를 마친 후, 동료들(멜리에르 포함)이 최신 결과를 발표했다. 대화 내용은 다음과 같았다.

최근 들어, 우리 우주에 음의 에너지를 가진 구성 요소가 존재할 가능성이 점점 더 언급되고 있다. 이 물질은 중력적으로 반발하는 성질을 가지며, 이로 인해 중력 렌즈 효과가 어떻게 나타날지 고려해보셨나요? 그러면 '음의 렌즈' 현상이 생길 것입니다. 저는 1995년 '천체물리학과 우주과학(Astrophysics and Space Science)'에 이와 같은 현상을 설명한 논문을 발표했습니다.
그렇다면, 양성 에너지 물질의 균일 분포에서의 빈 공간이겠군요.
아니요, 그게 아닙니다. 저는 음의 에너지를 가진 물체가 만들어내는 효과를 말하는 것입니다.
그러니까 양성 에너지 물질의 빈 공간이겠군요...

대화는 끝났고, 뒤이어 있는 회의실은 이 문제에 대해 완전히 무관심했다. 결국 나는 참가자들에게 말했다.

우리는 2001년 6월이다. 중력 렌즈 효과 분석과 그로 인한 지도 제작은 이해할 수 없는 물체, 즉 '암흑 은하단'으로 이어지고 있다. 은하의 역학은 대부분의 질량이 관측되지 않는 어두운 물질의 하모 형태로 존재해야 한다고 강요한다. 누구도 이 물질의 구성이나 기원을 설명할 수 없다. 지난 10년간 어두운 물질을 식별하려는 모든 시도는 실패했다. 은하단의 경우, 관측되지 않은 물질과 가시물질의 비율은 100:1에 이른다. 천문학자들은 각 은하 중심에 수백만 태양 질량의 블랙홀이 존재할 것이라고 예측하지만, 아무도 이를 관측하지 못하고 있다. 이번 심포지엄에서 우리는 계속해서 개선된 이미지를 보여주며, 우주의 대규모 구조(VLS)를 설명했다. 분명히 '연속적인 비눗방울 구조'는 해마다 더 확실해지고 있다. 그러나 우리가 보았듯이, 가장 정교한 CDM(냉각된 어두운 물질) 기반의 수치 시뮬레이션은 필라멘트 구조를 만들어내며, 관측 결과와 전혀 닮지 않은 우주를 만들어낸다. 아래는 심포지엄에서 발표된 최신 이미지이다.

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그러나 이미 8년 전부터 우리가 제작한 이미지를 보자:

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그리고 이 이미지는 실제로 관측 결과와 잘 맞아떨어진다:

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왜 이런 두 가지 사고 흐름 사이에 대화를 나누는 것이 완전히 불가능한 것일까?

완전한 침묵.

동시에(2001년 6월), 브루아에서 이론 물리학자들이 새로운 우주 구성 요소의 본질에 대해 논의하는 심포지엄이 열렸다. 그 중 한 명이 이를 '어둠의 에너지'라 이름 붙였다. 일부에 따르면, 이 신비로운 물질은 물질을 밀어내는 성질을 가지며, '반중력적'이라고 불리는 힘을 통해 작용하며, 우주의 총 내용물의 약 65%를 차지한다. 왜 '반중력적'이라고 하는가? 왜냐하면 매우 큰 적색편이를 가진 초신성에 대한 관측 결과가 우주의 팽창이 지연된 이후 가속되고 있음을 시사하기 때문이다.

이 물체는 여러 이름을 가졌다. 오늘날, 실험적 또는 관측적으로 연구 대상의 존재를 입증할 수 없을 때, 과학자들이 대량으로 '라벨'을 만들어내는 것을 주목할 필요가 있다. 제안된 이름 중 하나는:

쿼인테센스

이 단어는 의미심장하다. 왜냐하면 '쿼인테센스(Quintessence)'는 '다섯 번째 본질', 즉 '다섯 번째 원소'를 의미한다. 이 용어는 4원소(물, 불, 공기, 토양)로 구성된 물질 설명을 기반으로 한 알케미에서 유래했다. 이제 우리는 다섯 번째 원소를 갖게 되었다. 현대 이론 물리학은 중세 시대로 후퇴한 듯하다. 그러나 이것은 특별한 일이 아니다. 지금처럼 무지와 몽상이 만연하는 시대에, 무엇이 무엇인지 알 수 없을 때, 과학자들은 다양한 깃발 아래 군집한다. 천문학자들의 깃발은 '어두운 물질'이며, 이론 물리학자들은 이제 '초끈'에만 매달린다. 따라서 오늘날 과학 컨퍼런스가 신학자들이 믿음의 체계를 중심으로 모인 회의처럼 보이는 것은 놀라운 일이 아니다.

abstract

국제 심포지엄 "물질은 어디에 있는가?"에서 발표한 나의 논문 내용.

간단한 유머를 덧붙이며